Der Energieträger Wasserstoff und seine Speicherung im geologischen Untergrund - Dr. Peter Pilz, GFZ Potsdam
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Der Energieträger Wasserstoff und
seine Speicherung im
geologischen Untergrund
Dr. Peter Pilz, GFZ Potsdam,
Sektion 4.8 Geoenergien
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Wasserstoff als Energiespeichermedium
regenerative
Energien
Sauersto?
Sauerstoff
Mobilität
Stahlindustrie
H2
Elektrolyse H2 H2-Anwendungen Elektrizität
Wie hoch ist der Speicherung
künftige Bedarf und & Transport
haben wir genug
erneuerbare Energien
für grünen Wasserstoff? Wasser
Wärme
Chemieindustrie
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Möglicher H2-Bedarf in einem zukünftigen
dekarbonisierten Energiesystem
Parameter Region 2030 2050
Scenario A Scenario B Scenario A Scenario B
Wasserstoffbedarf (TWh) Deutschland 4 20 250 800
EU 30 140 800 2250
Elektrolysekapazität (GW) Deutschland 1 5 50 80
EU 7 35 341 511
Bandbreiten für H2-Bedarf und Elektrolysekapazität; nach Fraunhofer H2 Roadmap für Deutschland (2019):
Szenario A: fast vollständige elektrifizierte Welt / Szenario B: elektrifizierte und auf Synfuel basierende Welt
Andere Studien: NOW (2018), Dena (2018), BDI (2018), ES2050 (2020)
Die Bandbreiten ergeben sich aus: Szenario mit 85%, 90% oder 95% Emissionsreduzierung, Durchbruch
von Technologien, Entwicklung neuer Speichermedien und Energieimportszenarien
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Erneuerbare Energien: Stromverluste durch
Einspeisemanagement
TWh
• seit 2017 gingen durch das
Einspeisemanagement mehr als
5 TWh/Jahr an Erneuerbarer
Energie (EE) verloren
• seit 2014 sind das in Summe
mehr als 27 TWh
• mit zunehmendem Anteil der EE
an der Gesamtenergieversorgung
wird auch dieser Betrag steigen
• statt Anlagen abzuregeln, wäre
es sinnvoller, die Energie zu
speichern
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Welche Speichermöglichkeiten gibt es?
Jahresstrombedarf
der Haushalte*
Untergrundspeicher
* ohne Industrie und GHD; Strombedarf pro Person: 1,45 MWh/a
Die einzige Speicheroption im
TWh-Bereich
Gewährleistung der
Versorgungssicherheit
Saisonale Speicherung
(CH4, CO2, H2)
chemisch
thermisch Die Speicherung chemischer
mechanisch
elektrochemisch Energie wird auch im
elektromagnetisch
elektrisch
zukünftigen Energiesystem eine
entscheidende Rolle spielen
Die Datenwolken geben Bereiche an, in denen sich einzelne heute
bereits realisierte Anlagen in Deutschland bewegen Power-to-Gas zur langfristigen
Energiespeicherung
Modifiziert nach Sterner (2017)
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Deutschland hat die größte Gasspeicherkapazität der EU
und steht weltweit an vierter Stelle
• Der Erdgasverbrauch unterliegt je nach
Temperatur großen saisonalen Veränderungen
• seit über 60 Jahren Erfahrung mit unterirdischer
Speicherung in Deutschland
• Geologische Speicher: erschöpfte Öl- und
Gasfelder, Grundwasserleiter, Salzkavernen,
Felskavernen, stillgelegte Bergwerke
• 378 Einzelspeicher in Deutschland in Betrieb
(Status 2020): 362 Kavernen (dazu 40 im Bau),
16 Porenspeicher (Aquifere, erschöpfte Öl- und
Gaslagerstätten) (Quelle: Gas Infrastructure Europe, GIE)
Porenspeicher Kavernenspeicher Speichervolumen total
Arbeitsgasvolumen der Speicher in
Betrieb Mrd. Nm³
8,6 15,3 23,9
Erdöl, Erdgas, Kohle – EEK, 2020
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Bewertungs- und Benchmarking-Ergebnisse
Quelle: HyUnder Project, 2013
Safety
Technical feasibility
Investment costs
Ergebnis:
Operation
1. Salzkavernen
2. Erschöpfte Öl- und Gasfelder
3. Saline Aquifere
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Geologische Untergrundspeicher
Kavernenspeicher Vorteile
• Hohe Ein- und Ausspeicherraten, bei hohen Drücken
• Geringer Kissengasanteil und Wassergehalt im Fördergas
• kaum Gasverluste, keine Mineralreaktionen
Nachteile
• Setzungen im Top der Kaverne möglich: Grundbrüche
• Sole-Entsorgung stark beschränkt, teuer
• Hoher Genehmigungs- und Zeitaufwand (grüne Wiese: ± 10 a)
• Eingeschränkte räumliche Verfügbarkeit
• Volumenverlust durch Kavernenkonvergenz
Aquiferspeicher
Vorteile
• Große räumliche Verfügbarkeit
• Sehr hohe Speichervolumina
• Langzeitstabilität des Speichervolumens
• Keine Setzungen
Nachteile
• Mikrobiologische Umwandlung bei < 100˚C Gaskonversion
• Mineralreaktionen sind möglich (z. B. Sulfide Sauergas)
• Hoher Kissengasanteil
• Speicherbetrieb muss im Aquifergleichgewicht erfolgen
(nach Liebscher et al., 2016) • Hoher Wassergehalt im Fördergas
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Geologische Untergrundspeicher
Vorteile
Ausgeförderte Öl- und Gaslagerstätten • Gut erforschte und langzeitdiche Reservoire
• umfangreiche Datenbanken und Modelle existieren
• Restgas ist als Kissengas verwendbar
• Wiederverwendung bestehender Oberflächen- und
Bohrlochanlagen
• Anbindung an vorhandene Infrastruktur
• Ein geringerer Wassergehalt im Reservoir unterstützt eine
effiziente Gasinjektion
Nachteile
• geochemische und mikrobiologische Reaktionen
• H2-Verluste durch Blockaden des Porenraumes möglich
• Unterdruck führt zu betrieblichen Einschränkungen
• großes verfügbares Speichervolumen benötigt große
Gasmengen (Gasverdünnung)
• alte und korrodierte Sonden schwächen die Integrität der
Deckschickten
Quelle: HyUnder Project, 2013 • hoher Anteil an Begleitgasen bei der Gasrückförderung
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH Wildau
Beispiel I – Salzkavernen
Quelle: VNG Gasspeicher GmbH
• Im Rahmen der HYPOS-Forschungsinitiative wurde 2019 in Bad
Lauchstädt (Sachsen-Anhalt) ein Reallabor mit H2-Forschungs-
kaverne gestartet; Betreiber ist die VNG Gasspeicher GmbH
• Der Speicher wird in die bestehende H2-Infrastruktur des mittel-
deutschen Chemiedreiecks (Leuna-Schkopau-Bitterfeld)
eingegliedert.
• Forschungsschwerpunkt: Betriebskonzept, regulatorischer
Rahmen, Genehmigungsplanung, Sicherheitskonzept, Kosten-
berechnung
Quelle: www.cleanthinking.de
• Die Entwicklung einer H2-Testkaverne in Rüdersdorf
(Brandenburg) begann im Februar 2021, Betreiber EWE
• Die H2-Reinheit ist für Anwendungen im Mobilitätsbereich relevant
und wird vom DLR mittels Qualitätsanalyse während des Speicher-
und Rückförderprozesses untersucht
• Forschungsschwerpunkt: Kenntnisse über den Reinheitsgrad
des injizierten und entnommenen Wasserstoffs gewinnen.
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH WildauBeispiel II – Erschöpfte Gaslagerstätte
• Projekt Undergound SUN.STORAGE Speicherung von CH4 mit 10% H2
in einer ehemaligen Methanlagerstätte (~1000 m Tiefe) in Pilsbach,
Oberösterreich; 2017 erfolgreich vom Betreiber RAG abgeschlossen.
• H2-Verlust 18% nach 3 Monaten Ein- und Ausspeicherung und 4 Monaten
Standzeit: davon 5% Kissengas, 3% Methanisierung, 7,5-10% Lösungs-
und Diffusionsverluste
• Ein Folgeprojekt mit der Speicherung von 100% H2 ist geplant
• Projekt Underground SUN.CONVERSION Speicherung von CH4 mit
20% H2 im RAG-Speicher Pilsbach.
• Ziel des Forschungsprojekts ist es, die vorhandene poröse Gesteinsstruktur
als natürlichen Bioreaktor für den Methanisierungsprozess zu nutzen.
• Seit Dez.2020 läuft das Nachfolgeprokjekt
Underground Sun Conversion – Flexible Storage (USC-FlexStore).
Quelle: RAG Austria
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH WildauBeispiel III – Saline Aquifere
Bisher gibt es noch keine Erfahrungen mit der Speicherung von 100%
H2 im salinen Aquifer, dafür aber mit Stadtgas (50-60 Vol.%. H2) in
Ketzin (Brandenburg)
Lokale Industriepartner planen ein Energiewendelabor mit Sektor-
kopplung in Ketzin/Havelland. Dazu hat das GFZ ein H2-Aquifer-
speicherexperiment mit folgenden Aufgaben konzipiert:
• abiotische und biotische Reaktionen mit den Reservoir- und
Deckgesteinen sowie Formationsfluid
• H2-Löslichkeit im Formationsfluid
• Materialintegrität (Stahlkorrosion, Diffusion)
• Gaskonversion (z. B. Methanogenese, 4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O)
• Interaktion mit organischen Gesteinskomponenten (Kohle, Öl, Erdgas)
• petrophysikalische Parameter (z. B. H2-Durchlässigkeit, Permeabilität,
Porosität) der Reservoir- und Deckgesteine
• Entwicklung und Anwendung geeigneter Methoden zur Sicherheitsüberwachung
• Abschätzung der Wirtschaftlichkeit einer saisonalen H2-Aquiferspeicherung
• Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie, Wissenschaft und Politik
Quelle: GFZ
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH WildauRegionale Wertschöpfungseffekte
Energieproduzenten steigender Strombedarf
Netzbetreiber Netzerweiterung und -upgrade
Speicherbetreiber zusätzliche geologische Speicher
CO2-Emitter CO2 aus der Prozessindustrie
Kommunen Flächennutzung, Steuereinnahmen
Erdgas-/Erdölfirmen Wiederverwendung der Infrastruktur
Investoren Business case
Bevölkerung/Umwelt langfristigere Klimastabilität Quelle: GFZ/POF IV
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH WildauZusammenfassung der Schwerpunkte
► Die Energiespeicherung in Salzkavernen kann mit akzeptablem Aufwand von Erdgas
auf H2 umgestellt werden und ist die erste Option für den Hochlauf des H2-Marktes
► Ausgeförderte Öl- und Gaslagerstätten eignen sich aufgrund von hohen Kohlen-
wasserstoffrestgehalten im Gestein besonders für die mikrobielle H2-Methanisierung
(Zeithorizont: Monate).
► Saline Auqifere können bei (a) begrenzten Lösungs- und Diffusionsverlusten und (b)
Eindämmung der mikrobiellen Aktivität auch geeignete H2-Speicher sein.
► Die Voraussetzung für den Nachweis der technischen Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit
und langfristigen Sicherheit einer H2-Aquiferspeicherung ist ein Pilotprojekt.
► Die geologischen Voraussetzungen, der Speicherbedarf und die wissenschaftlich-
technischen Expertisen sind in Berlin-Brandenburg grundsätzlich vorhanden.
► Die Wertschöpfungseffekte in der Region wären erheblich.
10. Energiesymposium "Neue Energie für die Mobilitätswende“, am 12. März 2021 an der TH WildauDanke für Ihre Aufmerksamkeit !
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